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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Francisco João Di Mase Galvão Junior

REGULADOR DE TENSÃO PARA SISTEMAS DE EXCITAÇÃO BRUSHLESS – DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO

Dissertação submetida ao Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Elétrica como parte dos

requisitos para obtenção do título de Mestre em

Engenharia Elétrica

Área de Concentração: Sistemas Elétricos de Potência

Orientador: Prof. Dr. Délvio Franco Bernardes

Agosto de 2007

Itajubá - MG

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DEDICATÓRIA

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AGRADECIMENTOS

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RESUMO

O principal objetivo deste trabalho de dissertação é apresentar o desenvolvimento de um

regulador automático de tensão para sistemas de excitação brushless.

O gerador síncrono com sistema de excitação brushless é uma solução atrativa para

problemas relacionados ao resfriamento dos anéis coletores. A excitação brushless elimina

a necessidade de escovas, comutadores e anéis coletores. Para tal, um campo estático

contínuo induz tensão trifásica alternada na armadura rotativa da excitatriz. A armadura

está instalada no eixo do gerador e conectada a uma ponte retificadora trifásica rotativa.

Deste modo, a tensão contínua de saída da ponte é aplicada ao campo do gerador síncrono.

O regulador automático foi desenvolvido com a mais avançada tecnologia de

microcontroador associado a um controlador lógico programável. A eletrônica de potência

está fundamentada na tecnologia do semicondutor IGBT (Insulated Gate Bipolar

Transistor). O circuito de potência da excitação está explicado e o sinal PWM do circuito

de controle está analisado.

A operação do sistema de excitação brushless de geradores síncronos conectados no

sistema está apresentada. Todos os modos de operação do regulador estão criteriosamente

explicados e analisados. Vários ensaios foram realizados no regulador e os resultados estão

apresentados ao longo do trabalho.

Uma metodologia para monitoramento dos diodos também é apresentada neste trabalho de

dissertação. Este monitoramento é necessário em excitatrizes brushless e somente pode ser

realizado indiretamente, porque a ponte de diodos faz parte do rotor. Desta maneira, um

software para a realização deste monitoramento é proposto.

ABSTRACT

The main objective of this dissertation is to present the development of an automatic

voltage regulator for brushless excitation system.

The brushless excitation of synchronous machine is an attractive solution for problems

related to slip rings cooling. The brushless excitation eliminates the need for brushes, a

commutator and slip rings. For this, exciter stationary DC field induces AC three-phase

voltage into the rotating exciter armature. This armature is attached to generator shaft and

connected to a rotating three-phase bridge rectifier. The DC voltage of the rotating rectifier

is applied to the field of the synchronous generator.

The automatic regulator was developed with most advanced microcontroller technology

together with Programable Logical Controller (PLC). The power electronics part is fitted

with an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) semicondutor. The power circuit for the

excitation is explained and the signal of the PWM chopper circuit is analyzed.

The operation of the brushless excitation system of synchronous generator is presented. All

the operating modes of the regulator are careffuly explained. Many tests were realized and

the results are presented in this work.

A methodology for Diode Monitoring is also presented in this dissertation. This monitoring

is needed in brushless excitation and can only be done indirectly, because the diode bridge

is part of the rotor. In this way, a software for this monitoring is proposed.

SUMÁRIO

Lista de Figuras ........................................................................................................................9 Lista de Tabelas ......................................................................................................................11 Lista de Abreviaturas e Símbolos .........................................................................................12 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................2

1.1 Considerações Iniciais ................................................................................................2 1.2 Contribuição ...............................................................................................................3

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................6 2.1 Considerações Iniciais ................................................................................................6 2.2 Evolução do Sistema de Excitação.............................................................................6 2.3 Regulador Automático de Tensão ..............................................................................7 2.4 Considerações Finais ..................................................................................................9

3. SISTEMA DE EXCITAÇÃO BRUSHLESS................................................................11 3.1 Considerações Iniciais ..............................................................................................11 3.2 Descrição do Sistema................................................................................................11 3.3 Componentes Principais Do Sistema de Excitação Brushless .................................13

3.3.1 Transformador de Excitação ..................................................................... 13 3.3.2 Ponte Retificadora Trifásica Não-Controlada ......................................... 14 3.3.3 Sistema de Medição .................................................................................... 15 3.3.4 Sistema de Regulação de Tensão ............................................................... 17

3.4 Considerações Finais ................................................................................................18 4. DESENVOLVIMENTO DO REGULADOR DE TENSÃO.......................................20

4.1 Considerações Iniciais ..............................................................................................20 4.2 Controle Direto da Corrente de Campo (CIE)..........................................................21 4.3 Controle da Tensão do Terminal do Gerador (CV)..................................................25 4.4 Controle da Potência Reativa Trocada com a Rede (CAR)......................................27 4.5 Atribuições do Controlador Lógico Programável ....................................................28 4.6 Atribuições do Microcontrolador Programável (MC)..............................................29 4.7 Driver de Gatilhamento ............................................................................................32 4.8 Lógica de Operação do Regulador ...........................................................................34 4.9 Controle PID.............................................................................................................38 4.10 Considerações Finais ................................................................................................41

5. ENSAIOS.........................................................................................................................44 5.1 Ensaios Laboratoriais ...............................................................................................44

5.1.1 Resultados dos Ensaios no Modo de Operação CIE................................ 45 5.1.2 Resultados dos Ensaios no Modo de Operação CV ................................. 50 5.1.3 Resultados dos Ensaios no Modo de Operação CAR .............................. 54

5.2 Ensaios de Campo ....................................................................................................59 5.2.1 Comissionamento do Sistema de Regulação de Tensão .......................... 63

5.3 Considerações Finais ................................................................................................66 6. MONITORAMENTO DOS DIODOS ROTATIVOS .................................................68

6.1 Metodologia Aplicada ..............................................................................................68 6.2 Resultados das Simulações.......................................................................................70 Neste caso, a queima do seguinte diodo foi simulada: .......................................................73

6.3 Análise dos Resultados.............................................................................................76 6.4 Considerações Finais ................................................................................................78

7. CONCLUSÃO.................................................................................................................81 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .........................................................................84

Lista de Figuras Figura 1 - Sistema de excitação brushless.................................................................................. 12 Figura 2 - Sistema de alimentação do campo da excitatriz. ......................................................... 14 Figura 3 - Sistema de realimentação de tensão........................................................................... 16 Figura 4 - Sistema de realimentação de potência reativa............................................................. 17 Figura 5 - Faixa de valores de tensão na saída do Hall................................................................ 21 Figura 6 - Circuito condicionador de sinal................................................................................. 22 Figura 7 – Sinal de realimentação de corrente............................................................................ 23 Figura 8 - Suportabilidade térmica da excitatriz......................................................................... 24 Figura 9 - Sinal de realimentação de tensão............................................................................... 26 Figura 10 - Sinal de realimentação de potência reativa. .............................................................. 27 Figura 11 - Representação CLP / IHM. ..................................................................................... 29 Figura 12 - Forma de onda da tensão de saída do IGBT – valor intermediário.............................. 30 Figura 13 - Forma de onda da tensão de saída do IGBT – valor mínimo. ..................................... 31 Figura 14 - Forma de onda da corrente no circuito indutivo. ....................................................... 31 Figura 15 - Circuito de gatilhamento do IGBT........................................................................... 32 Figura 16 - Representação do IGBT.......................................................................................... 33 Figura 17 - Aplicação do diodo de free-wheeling....................................................................... 33 Figura 18 - Forma de onda da tensão anodo-catodo do diodo de free-wheeling. ........................... 34 Figura 19 - Fluxograma de funcionamento do regulador de tensão.............................................. 35 Figura 20 - Esquema de ligações do regulador de tensão. ........................................................... 37 Figura 21 - Malha de controle. ................................................................................................. 40 Figura 22 - Tela do programa de supervisão implementado. ....................................................... 41 Figura 23 - Diagrama funcional................................................................................................ 42 Figura 24 - Comportamento do sinal de controle de corrente. ..................................................... 46 Figura 25 - Comportamento estável da corrente......................................................................... 47 Figura 26 - Comportamento do sinal de corrente frente a um degrau negativo no valor de referência.

...................................................................................................................................... 48 Figura 27 - Resposta mediante à elevação de 70% no valor do ganho proporcional. ..................... 49 Figura 28 - Resposta mediante a elevação de 90% no valor do ganho proporcional. ..................... 50 Figura 29 – Comportamento do sinal de tensão. ........................................................................ 51 Figura 30 - Comportamento da tensão na partida direta do MIT.................................................. 52 Figura 31 - Comportamento do sinal de tensão mediante alteração do ganho. .............................. 53 Figura 32 - Comportamento do sinal de tensão frente a um degrau negativo no valor de referência.

...................................................................................................................................... 54 Figura 33 - Comportamento da potência reativa indutiva mediante um degrau positivo da referência.

...................................................................................................................................... 55 Figura 34 - Comportamento da potência reativa indutiva mediante um degrau negativo da

referência........................................................................................................................ 56 Figura 35 - Passagem de potência reativa indutiva para capacitiva. ............................................. 57 Figura 36 - Comportamento da potência reativa indutiva mediante uma alteração na faixa de

tolerância........................................................................................................................ 58 Figura 37 - Unidade Geradora – PCH Luiz Dias. ....................................................................... 60 Figura 38 - Comportamento da potência reativa mediante um degrau negativo da referência. ....... 60

Figura 39 - Alteração da faixa de tolerância. ............................................................................. 61 Figura 40 - Passagem de potência reativa indutiva para capacitiva. ............................................. 62 Figura 41 – Análise da estabilidade da potência reativa.............................................................. 63 Figura 42 - Sistema modelado. ................................................................................................. 71 Figura 43 - Formas de onda da tensão e corrente – Simulação 1.................................................. 72 Figura 44 – Representação da condição de defeito da simulação 2 .............................................. 73 Figura 45 – Formas de onda da tensão e corrente – Simulação 2. ................................................ 73 Figura 46 – Representação da condição de defeito da simulação 3. ............................................. 74 Figura 47 – Formas de onda da tensão e corrente – Simulação 3. ................................................ 74 Figura 48 – Representação da condição de defeito da simulação 4. ............................................. 75 Figura 49 – Formas de onda da tensão e corrente – Simulação 4. ................................................ 75 Figura 50 – Variação da corrente em função dos defeitos dos diodos. ......................................... 77 Figura 51 – Representação do coeficiente de monitoramento dos diodos. .................................... 78

Lista de Tabelas Tabela 6.1 – Valores médios referentes à simulação 1......................................................... 73 Tabela 6.2 – Valores médios referentes à simulação 2......................................................... 74 Tabela 6.3 – Valores médios referentes à simulação 3......................................................... 75 Tabela 6.4 – Valores médios referentes à simulação 4......................................................... 76 Tabela 6.5 – Resultados das simulações............................................................................... 76

Lista de Abreviaturas e Símbolos CLP Controlador Lógico Programável. PWM Pulse Width Modulation. IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor. LE Campo da Excitratriz (parte estática). IE Corrente no Campo da Excitatriz. B3F Bobina Trifásica (parte rotativa). PRD Ponte Trifásica Rotativa a Diodos. LG Campo do Gerador Principal. VT Tensão Terminal do Gerador. VCEIL Tensão de Ceiling. Vd Tensão DC na Saída da Ponte Retificadora. TP Transformador de Potencial. PD Ponte de Diodos. TC Transformador de Corrente. PID Proporcional Integral Derivativo. MC Microcontrolador Programável. CIE Controle Direto da Corrente de Campo. CV Controle da Tensão do Terminal do Gerador. CAR Controle da Potência Reativa Trocada com a Rede. UG Unidade Geradora. IHM Interface Homem Máquina. MIT Motor de Indução Trifásico.

CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais. RQI Relação entre a Potência Reativa e a Corrente de Campo da Excitatriz. RVI Relação entre a Tensão do Gerador e a Corrente do Campo da Excitatriz. ONS Operador Nacional de Sistema.

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1. INTRODUÇÃO

1.1 Considerações Iniciais

Esta dissertação de mestrado, submetida ao Instituto de Sistemas Elétricos e Energia da

Universidade Federal de Itajubá, tem por objetivo apresentar as etapas do desenvolvimento

do protótipo de um regulador de tensão para geradores síncronos com sistemas de excitação

brushless.

Inicialmente, de modo a facilitar o entendimento a respeito do funcionamento do regulador

desenvolvido, serão apresentadas as principais características do sistema de excitação

brushless, bem como as características operacionais dos equipamentos envolvidos no seu

funcionamento.

Uma vez mostrado o funcionamento deste sistema de excitação, tanto com o sistema de

geração hidrelétrica operando isoladamente quanto em paralelo com a rede, o trabalho

passa a discorrer a respeito forma de operação do regulador automático de tensão,

enfatizando as funções a ele atribuídas. É importante ressaltar que as funções não se

limitam apenas ao controle da tensão elétrica no ponto de acoplamento da unidade

geradora, uma vez que a comunicação com os dispositivos de proteção do gerador e o seu

comportamento dinâmico frente à ocorrência de uma falha no sistema elétrico são aspectos

que também devem ser devidamente considerados.

A tecnologia de controle implementada no regulador de tensão está apresentada,

mostrando inclusive as equações matemáticas que regem o seu comportamento dinâmico.

Um outro aspecto importante a ser considerado é a aplicação da tecnologia de

MICROCONTROLADORES (MC) em conjunto com Controlador Lógico Programável

(CLP). O sistema eletrônico empregado na atuação no regulador está fundamentado na

modulação PWM da tensão de excitação através da ação do semi-condutor IGBT (Insulated

Gate Bipolar Transistor).

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Por se tratar de um desenvolvimento que irá resultar na construção de um protótipo,

resultados de ensaios laboratoriais e de campo são apresentados, contribuindo para a

validação do equipamento.

Este capítulo tem por finalidade apresentar uma metodologia para identificação de defeitos

nos diodos da ponte retificadora (seis diodos) rotativa do sistema de excitação brushless. A

principal motivação para o desenvolvimento desta metodologia está relacionada ao relato,

por parte dos fabricantes de geradores síncronos, do crescente aumento na ocorrência de

defeitos nestes dispositivos, que pode resultar em diversas adversidades operacionais no

gerador, por exemplo, redução na eficiência do sistema de excitação.

Os ensaios foram realizados no laboratório do Instituto de Sistemas Elétricos e Energia da

Universidade Federal de Itajubá (ISEE / UNIFEI) e na Pequena Central Hidrelétrica Luiz

Dias, localizada no município de Itajubá, MG.

1.2 Contribuição Ao se apresentar o desenvolvimento em questão, a abordagem detalhada do sistema de

excitação brushless se fez necessária, apresentando desde as suas características elétricas

até o seu comportamento frente a uma situação real de operação. Assim, naturalmente este

trabalho expõe todas as particularidades deste sistema, proporcionando ao leitor a

oportunidade de tomar conhecimento ou de fazer uma releitura a respeito deste assunto.

Dento deste contexto, vale ressaltar também que neste trabalho há uma grande diversidade

de tópicos relacionados à Engenharia Elétrica, mostrando as características inerentes aos

sistemas elétricos de potência, eletrônicos e de controle, envolvidos na regulação de tensão

de centrais hidrelétricas de energia de pequeno porte.

Outra importante contribuição deste trabalho é a comprovação dos benefícios que são

obtidos quando universidades trabalham em conjunto com indústrias do setor privado. O

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desenvolvimento a ser apresentado nesta dissertação é resultado de uma parceria entre a

Universidade Federal de Itajubá e a ALSTOM Hydro Energia Brasil. Este trabalho resultou

no desenvolvimento de um protótipo de regulador de tensão para sistemas de excitação

brushless, o qual foi testado e validado através de ensaios laboratoriais e de campo. Estas

parcerias deveriam ser mais incentivadas, uma vez que a indústria pode fortalecer o seu

desenvolvimento tecnológico através da mão de obra e da estrutura oferecidas pela

universidade. Em contrapartida, a universidade pode aumentar a quantidade de alunos

pesquisadores bolsistas de graduação e pós-graduação, bem como fortalecer o corpo de

pesquisadores docentes.

Este trabalho englobou os diversos conceitos que fazem parte do projeto de um regulador

de tensão para máquinas com sistema de excitação brushless, possibilitando ao leitor um

entendimento completo a respeito do funcionamento deste sistema.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA


Neste capítulo será apresentado um breve histórico a respeito da evolução dos sistemas de

excitação, permitindo o conhecimento dos fatores que levaram ao desenvolvimento do

sistema de excitação brushless.

Além da evolução dos sistemas de excitação, o desenvolvimento das tecnologias inerentes

aos circuitos eletrônicos de controle resultou no surgimento de reguladores automáticos de

tensão. Assim, neste capítulo, também, serão apresentados os trabalhos científicos que mais

contribuíram para implementação de um sistema de controle eficaz do protótipo do

regulador automático apresentado nesta dissertação.

2.2 Evolução do Sistema de Excitação

Antes da utilização dos sistemas de excitação atualmente empregados, a excitação era

realizada por um gerador de corrente contínua acoplado no eixo do gerador principal. Com

o avanço da tecnologia de projeto de geradores houve um aumento significativo na

capacidade nominal de geração dos equipamentos, ocasionando algumas inconveniências

na utilização das excitatrizes de corrente contínua, tais como:

��exigência de uma elevada quantidade de escovas;

��ocorrência de faiscamento nos comutadores durante variações abruptas de carga;

��dificuldade de se acoplar a máquina de corrente contínua no eixo do gerador.

Além destas inconveniências citadas, havia uma grande necessidade de se fazer

manutenções periódicas nas escovas, o que obriga a interrupção da geração de energia

elétrica.

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Nos sistemas antigos, ou melhor, primitivos, o operador da usina tinha função de ajustar o

reostato do campo da excitatriz de acordo com a tensão medida nos terminais do gerador.

No entanto, com o advento dos sistemas eletrônicos de controle, os reguladores de tensão

atuam automaticamente na tensão de excitação, controlando a tensão do gerador ou a

potência reativa trocada com o sistema elétrico.

Devido aos inconvenientes citados, os quais são inerentes ao sistema de excitação com

máquina de corrente contínua, por volta de 1950, houve uma intensificação nos estudos e

pesquisas para a consolidação de um sistema de excitação de corrente alternada utilizando

retificadores. Uma grande dificuldade encontrada para o avanço destes estudos era a

máxima tensão reversa dos diodos, que era insuficiente para as aplicações. No entanto, esta

dificuldade foi superada através da aplicação dos diodos de silício, fazendo com que as

excitatrizes de corrente alternada começassem a surgir efetivamente. Assim, começaram a

surgir os seguintes sistemas de excitação:

��excitatriz de campo rotativo com retificador estático a diodos;

��excitatriz estática com tiristores estáticos;

��excitatriz sem escovas (brushless).

Como poderá ser observado neste trabalho de dissertação, uma grande vantagem da

excitatriz brushless é a eliminação definitiva dos anéis coletores e escovas. Por volta de

1960, os engenheiros da Westinghouse Electric Corporation conseguiram aplicar este

sistema de excitação em geradores com potências maiores, favorecendo o início da sua

aplicação em grande escala.

2.3 Regulador Automático de Tensão

Atualmente, os reguladores de tensão operam automaticamente, controlando a tensão do

gerador ou a potência reativa trocada com o sistema elétrico correspondente. Malhas de

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controle fundamentadas na tecnologia de controle PID (Proporcional Integral Derivativa)

são modeladas, seguindo critérios de análise de estabilidade dinâmica. Estes critérios, bem

como a otimização dos parâmetros da malha são criteriosamente detalhados no seguinte

livro: KUNDUR, Prabha. Power System Stability and Control. Electric Power Research

Institute, Power System Engineering Series, McGraw-Hill Inc., 1994.

Diversos trabalhos publicados apresentam técnicas de otimização das malhas de controle

através dos critérios de estabilidade dinâmica. Deste modo, o seguinte trabalho foi

importante na modelagem do sistema de controle do regulador de tensão desenvolvido:

CRENSHAW, M.L.; BOLLINGER, K. E.; BYERLY, R.T.. Excitation System Models For

Power System Stability Studies, IEEE Trans. Power Appar. and System, PAS-100, no. 2,

pp. 494-509, 1981. Além deste trabalho citado, as técnicas de modelagem propostas no

seguinte livro, também, contribuíram para uma atribuição coerente de valores aos

parâmetros da malha implementada: ANDERSON, P. M.; FOUAD A. A.. Power System

Control and Stability, Ames, IA, USA, 1997.

Diante do fato que o conhecimento das características físicas do sistema a ser controlado é

extremamente importante, técnicas para identificação de sistemas contribuíram para a

definição do modelo da malha de controle do regulador. Esta técnica está apresentada no

seguinte artigo publicado: SHANDE, Shen; SHOUZHEN, Zhu. Identification of

Prameters of Synchronous Machine, IEEE International Conference on Advances in

Power System Control, Operation and Management, November 1991, Hong Kong.

Através da utilização das técnicas de modelagem de sistemas de controle e ajustes

realizados durante ensaios laboratoriais e de campo, a malha PID do protótipo desenvolvido

foi modelada. Os resultados dos ensaios estão apresentados no capítulo 5 da dissertação.

9 ______________________________________________________________________________________________________________

2.4 Considerações Finais

Este capítulo apresentou um breve histórico a respeito da evolução dos sistemas de

excitação, bem como as diretrizes tomadas na definição do modelo empregado do sistema

de controle do protótipo do regulador desenvolvido. Assim, através do conteúdo

apresentado neste capítulo é possível notar a importância do advento do sistema de

excitação brushless e a mudança de filosofia da regulação, a partir do desenvolvimento dos

reguladores automáticos, os quais empregam as mais avançadas tecnologias de controle,

conforme será apresentado no decorrer deste trabalho.

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3. SISTEMA DE EXCITAÇÃO BRUSHLESS


O sistema de excitação brushless foi desenvolvido com o objetivo de eliminar a

necessidade da utilização de anéis coletores e escovas para a alimentação do campo do

gerador.

Neste tipo de excitação, os anéis e escovas perderam a sua finalidade devido ao fato do

acoplamento entre a excitatriz e o campo do gerador ser eletromagnético. Assim, houve um

progresso significativo no desenvolvimento e uso de geradores síncronos, haja vista que

deixaram de existir os costumeiros problemas ligados ao resfriamento dos anéis coletores e

a vida útil das escovas.

Deste modo, nesta seção, o princípio de funcionamento da excitariz brushless será

apresentado detalhadamente, enfatizando a particularidade do controle da tensão do

gerador, o qual se faz através da atuação no valor de tensão contínua aplicada ao campo da

excitatriz.

3.2 Descrição do Sistema De um modo geral, analogamente a um gerador síncrono, na excitatriz o fluxo magnético é

produzido através da circulação de corrente contínua nas bobinas dos pólos, resultando na

indução de três tensões defasadas eletricamente de 120°.

No entanto, a diferença preponderante com relação ao princípio de operação dos geradores

síncronos consiste no fato de que na excitariz brushless os pólos estão dispostos em uma

estrutura estática, ao passo que as bobinas, onde serão induzidas as tensões, encontram-se

na parte rotativa da máquina, conforme mostrado na figura a seguir.

12 ______________________________________________________________________________________________________________

IEB3F

PRD

LG

IG

LE

PARTEESTÁTICA

PARTEROTATIVA

Figura 1 - Sistema de excitação brushless.

Onde:

LE – campo da excitatriz (parte estática);

IE – corrente no campo da excitatriz;

B3F – conjunto trifásico de bobinas (parte rotativa);

PRD – ponte trifásica rotativa a diodos;

LG – campo do gerador principal.

Assim, o processo de excitação do campo do gerador principal (LG) pode ser entendido

através do diagrama apresentado a seguir:

Circulação de corrente contínua no campo da excitatriz (IE).

Surgimento de fluxo magnético constante; indução de tensão alternada em (B3F).

Retificação trifásica através da ponte de diodos (PRD).

Circulação de corrente contínua no campo do gerador principal (IG).

13 ______________________________________________________________________________________________________________

3.3 Componentes Principais Do Sistema de Excitação Brushless Nesta seção serão apresentados os principais aspectos a serem considerados no projeto de

especificação dos componentes envolvidos no sistema de regulação de tensão de excitação

brushless.

Deste modo, os seguintes componentes serão estudados ao longo desta seção:

��transformador de excitação;

��ponte retificadora não-controlada trifásica;

��regulador de tensão.

3.3.1 Transformador de Excitação Usualmente, o transformador de alimentação do campo da excitariz tem seu lado primário

conectado aos terminais de saída do gerador, e os seus terminais secundários ligados à

ponte retificadora trifásica não-controlada.

De um modo geral, o projeto deste transformador deve prever a possibilidade de atingir nos

seus terminais secundários um nível de tensão compatível ao pré-estabelecido pelos estudos

de estabilidade dinâmica do sistema. No caso das máquinas com excitatriz brushless,

geralmente, frente à ocorrência de uma falta no sistema elétrico, a tensão deve atingir entre

150% e 160% do valor da tensão nominal do campo da excitatriz.

Este nível de tensão, denominado tensão de ceiling, pode ser aplicado ao campo durante um

período de aproximadamente 10 segundos, mediante a ação automática do regulador de

tensão empregado. É importante observar que esta condição é válida somente para os

sistemas de excitação brushless.

14 ______________________________________________________________________________________________________________

3.3.2 Ponte Retificadora Trifásica Não-Controlada

Nos sistemas de excitação estática, o controle da tensão que é aplicada diretamente ao

campo do gerador é feito através da variação do ângulo de disparo dos tiristores de uma

ponte retificadora trifásica controlada. No caso da excitatriz brushless, o sinal trifásico do

secundário do transformador de excitação é retificado por uma ponte trifásica a diodos, ou

seja, não-controlada. Assim, a tensão contínua da saída do retificador é variada de acordo

com as necessidades operacionais do sistema de excitação, através do circuito com

modulação PWM empregado, o qual será apresentado ao longo do trabalho.

GS SISTEMA

VT

VCEIL

Vd Figura 2 - Sistema de alimentação do campo da excitatriz.

Onde:

VT – tensão terminal do gerador;

VCEIL – tensão de ceiling;

Vd – tensão dc na saída da ponte retificadora.

Tendo em vista o baixo valor da corrente IE, na maioria dos casos, a ponte retificadora já se

encontra integrada ao regulador automático de tensão.

15 ______________________________________________________________________________________________________________

3.3.3 Sistema de Medição

O sistema de medição envolvido na regulação de tensão tem por finalidade adequar os

níveis dos sinais de tensão e corrente que são monitorados e controlados pelo regulador

automático de tensão. Este regulador possui três modos operacionais, os quais permitem os

controles da corrente do campo da excitatriz, da tensão no terminal do gerador e da

potência reativa trocada com a rede elétrica. Desta maneira, o sistema de medição a ser

projetado deve adequar os valores das grandezas de interesse, conforme será apresentado a

seguir:

Sistema de Medição – Corrente de Campo da Excitatriz

Além da inexistência dos problemas relacionados às escovas e aos anéis coletores, uma

outra vantagem do sistema de excitação brushless é a necessidade de uma corrente de baixo

valor no campo de excitatriz, o que permitiu a aplicação de dispositivos eletrônicos

pequenos e de baixo custo para a leitura do valor desta corrente. No caso apresentado neste

trabalho, a medição é feita através de um sensor Hall, cujas característica de funcionamento

serão mostradas no próximo capítulo.

Sistema de Medição – Tensão do Gerador

Através de um Transformador de Potencial (TP) monofásico o sinal de tensão dos terminais

do gerador é enviado ao regulador de tensão. Usualmente, o nível de tensão é de 115 VAC,

implicando naturalmente na necessidade de se adequar este valor para o sistema eletrônico

de controle, o qual trabalha no máximo em 10 VDC.

16 ______________________________________________________________________________________________________________

GS

R1 R2

PD

V

SISTEMA

Figura 3 - Sistema de realimentação de tensão.

O sinal de tensão disponível no secundário do TP é retificado através de uma ponte

monofásica de quatro diodos, representada por PD. A partir desta retificação, um circuito

divisor de tensão é implementado, resultando nos terminais do resistor representado por R1

um valor de tensão de 5 [V], o qual realimenta o controlador lógico programável. Assim, é

possível notar que 1 pu de tensão da rede, ou seja, 115 [V] no secundário do TP, equivale a

5 [V] na entrada do CLP.

Sistema de Medição – Potência Reativa

No caso do controle de potência reativa, fica evidente a necessidade da utilização de um TP

e um Transformador de Corrente (TC), cuja corrente secundária é 5 [A]. Como poderá ser

observado no capítulo subseqüente, os sinais provenientes do TP e TC são aplicados a um

transdutor de potência reativa, que fornece como saída um sinal proporcional de tensão

compreendido entre –10 VDC e + 10 VDC.

Diante do fato que o gerador pode fornecer ou absorver potência reativa, quando o

transdutor estiver com uma tensão de saída de 0 a +10 [V], é um indício de fornecimento de

potência reativa, ao passo que quando houver uma absorção de potência reativa a faixa de

tensão da saída será de 0 a –10 [V].

SISTEMA

17 ______________________________________________________________________________________________________________

GS SISTEMA

TPR

-10 / +10[Vdc]

Figura 4 - Sistema de realimentação de potência reativa.

3.3.4 Sistema de Regulação de Tensão Neste subitem serão apresentados os princípios de funcionamento dos modos operacionais

do regulador de tensão em questão.

Estando a unidade geradora conectada em um sistema isolado, o princípio de

funcionamento do regulador de tensão consiste em manter os valores das tensões nos

terminais do gerador dentro de uma faixa de tolerância estabelecida. O tempo de resposta

do sistema de regulação deve ser suficientemente curto, para que as cargas supridas pelo

sistema não sofram danos provocados pelas oscilações de tensões. Estas oscilações são, na

maioria dos casos, ocasionadas pela aleatoriedade própria das cargas de um sistema.

Dentro deste contexto, é imprescindível a otimização dos ajustes da malha de controle, bem

como do circuito eletrônico responsável pela atuação no valor da tensão de excitação.

Basicamente, o controle da tensão parte do seguinte princípio operacional: o valor da tensão

do secundário do TP é condicionado para um valor de projeto, para então ser comparado a

um valor de referência definido durante a configuração do regulador. A partir do resultado

desta comparação, a atuação se faz através da técnica inerente à tecnologia matemática de

controle PID, associado a tecnologia do microcontrolador programável empregado.

Se a unidade geradora estiver conectada em paralelo com a rede, como comentado, o

regulador tem por finalidade atuar no controle da potência reativa trocada entre o gerador e

18 ______________________________________________________________________________________________________________

a rede. Sendo assim, a diferença preponderante existente entre estes dois modos

operacionais está na realimentação e na configuração do valor de referência. No entanto, as

ações da malha de controle, do microcontrolador e do circuito eletrônico são semelhantes.

Um outro modo operacional do regulador de tensão é o controle da corrente de campo, que

tem única e exclusivamente a função de manter a circulação de um determinado valor de

corrente no campo da excitatriz. É importante enfatizar que devido ao fato deste modo não

controlar a magnitude das grandezas relacionadas ao sistema (tensão e potência reativa), a

sua aplicação deve ocorrer somente em situações especiais, tais como: teste de

comissionamento do gerador ou falhas na realimentação de tensão e/ou corrente do estator

da máquina.


Neste capítulo foi analisado o princípio de funcionamento de uma excitatriz brushless, bem

como os modos operacionais do regulador de tensão, dando uma visão geral do

equipamento.

A partir desta visão geral, o item subseqüente tem por objetivo apresentar detalhadamente o

desenvolvimento do regulador para este tipo de sistema, mostrando as suas características e

as tecnologias de controle e eletrônica de potência implementadas.

19 ______________________________________________________________________________________________________________

__________________

20 ______________________________________________________________________________________________________________

4. DESENVOLVIMENTO DO REGULADOR DE TENSÃO

4.1 Considerações Iniciais De modo a facilitar a compreensão das etapas percorridas durante o desenvolvimento do

protótipo, inicialmente, será feita uma abordagem geral a respeito dos dispositivos

envolvidos no regulador. Na seqüência, o funcionamento integrado destes dispositivos será

detalhado, procurando sempre se estabelecer uma correlação com a filosofia de

programação implementada.

Por se tratar do desenvolvimento de um equipamento que deve ser utilizado em um sistema

elétrico onde existem, além do gerador, sistemas de proteção, comando e outros

dispositivos essenciais para o funcionamento adequado da unidade de geração hidrelétrica,

os princípios operacionais estabelecidos pelo operador do sistema (ONS) devem ser

criteriosamente analisados para então iniciar o desenvolvimento do algoritmo a ser

implementado.

Uma vez definido o algoritmo, a lógica operacional, neste caso especificamente, está

desenvolvida e implementada nos programas escritos no Controlador Lógico Programável

(CLP) e no Microcontrolador Programável (MC).

Como poderá ser observado ao longo deste capítulo, o CLP e o MC atuam de maneira

conjunta, propiciando um excelente tempo de resposta que atende as necessidades do

sistema, e uma modulação PWM eficaz e precisa.

Considerando que o controle do valor da corrente IE, possui uma importância tão

significativa quanto o algoritmo implementado, a atuação do IGBT mediante as diversas

situações de operação do gerador será, também, um assunto abordado com ênfase no

decorrer deste capítulo.

21 ______________________________________________________________________________________________________________

Com isso, o presente capítulo aborda o comportamento geral dos dispositivos frente aos

modos operacionais do regulador de tensão, os quais são os seguintes: controle direto da

corrente de campo (CIE), controle da tensão do terminal do gerador (CV) e controle da

potência reativa trocada com a rede (CAR).

Após as análises do regulador frente aos modos de operação citados, o CLP, o MC, a

tecnologia de controle PID e o algoritmo de programação serão abordados individualmente

em suas respectivas seções.

4.2 Controle Direto da Corrente de Campo (CIE)

Como comentado anteriormente, o sistema de medição da corrente do campo da excitatriz é

feito através de um sensor Hall. No entanto, como poderá ser observado na seqüência, um

circuito eletrônico, que está definido como um “condicionador de sinal”, foi desenvolvido

para melhorar a realimentação do sistema de controle. Este condicionador de sinal tem por

finalidade aumentar a faixa de tensão da saída do sensor, contribuindo desta maneira para

uma ação mais precisa e estável da malha de controle.

Originalmente, a faixa de tensão da saída do sensor Hall, definida pelo fabricante, possui a

seguinte característica:

Figura 5 - Faixa de valores de tensão na saída do Hall.

22 ______________________________________________________________________________________________________________

Deste modo, ao se analisar o gráfico pode-se obter a confirmação que a faixa de tensão de

saída do Hall, a qual retrata a corrente medida, é relativamente pequena se comparada à

faixa de valores relativa à medição de corrente.

Sendo assim, o seguinte circuito condicionador de sinal foi desenvolvido.

SENSOR HALL

R1

R2-15V

Z4R4

R3 R5

AMP 1

R6

R7

R9 R10 R11

R8AMP 2

IEXCITAÇÃO

+5V

SAÍDA SENSOR HALL CLP

0 ~ 10V

Figura 6 - Circuito condicionador de sinal.

O princípio de funcionamento do circuito está relacionado a tecnologia de amplificadores

operacionais, o que resultou na seguinte lógica de atuação:

Através do resistor R3, uma tensão de -2,5 [V] é somada à tensão de saída do sensor Hall,

definida pela relação:

OUT PV 0, 25.I 2,5= + [V]

Isto faz com que a tensão de saída do amplificador operacional Amp1 seja zero quando a

corrente IP for nula. O amplificador operacional Amp2 amplifica e inverte o sinal de saída

de Amp1 de modo que o sinal de tensão responsável pela realimentação de corrente de

excitação passa a ser definido pela seguinte relação:

23 ______________________________________________________________________________________________________________

A1 PE 1,125.I= [V]

Então, o sinal de saída do circuito condicionador é o seguinte:

Realimentação de corrente

0123456789

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Corrente [A]

Tens

ão -

saíd

a do

cir

cuito

co

ndic

iona

dor

[V]

Figura 7 – Sinal de realimentação de corrente.

A realimentação de corrente é um parâmetro que deve ser continuamente monitorado, tendo

em vista a necessidade de se evitar elevados valores de corrente no campo da excitatriz,

fato que pode levar a uma ultrapassagem dos limites de suportabilidade térmica do material

isolante utilizado em seus circuitos.

Deste modo, é importante que na configuração inicial do regulador seja prevista a entrada

dos dados referentes à suportabilidade térmica do campo da excitatriz. Estes dados, que

devem ser fornecidos pelo fabricante da excitatriz brushless, devem trazer informações que

correlacionem o valor da corrente e o tempo permissível da sua circulação, resultando no

seguinte gráfico apresentado a seguir:

24 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 8 - Suportabilidade térmica da excitatriz.

Uma vez excedida qualquer uma destas condições limites apresentadas, o regulador tem

que interromper as ações da malha de controle, levando a corrente de excitação a um valor

nulo, e simultaneamente deve transferir um comando digital para os reles dos contatores do

campo e do circuito de desexcitação. Esta transferência do sinal digital está explicada em

detalhes no capítulo subseqüente.

Por exemplo, se um valor de corrente compreendido entre I1 e I2 exceder o tempo

determinado por T3, há uma interrupção da circulação da corrente IE.

Através da análise do gráfico anterior, a atuação da proteção passa a ser instantânea para

valores de corrente superiores ao indicado por I4. Usualmente, este nível de corrente (I4) é

um dado de projeto importante, caracterizado na maioria dos casos de corrente de ceiling.

Assim, fica evidente que em uma condição de defeito, onde haja a necessidade de se

fortalecer o campo da excitatriz, a condição extrema de excitação não deve exceder o valor

de corrente I4, podendo permanecer no máximo com um valor de corrente entre I3 e I4

durante o tempo T1, que na maioria das vezes é de aproximadamente 10 segundos. Este

valor característico é válido somente para o sistema de excitação brushless.

Além de possibilitar o contínuo monitoramento da corrente do campo da excitatriz, tendo

em vista a proteção deste circuito, a realimentação de corrente, também, é importante para a

25 ______________________________________________________________________________________________________________

atuação da malha de controle, estando o equipamento configurado para operar no modo de

controle direto da corrente de campo, ou seja, CIE. Este modo, também denominado Modo

Manual de Operação, é utilizado em situações de teste do gerador ou na perda da

realimentação de potência reativa, que pode ser, por exemplo, decorrente de um eventual

defeito nos transformadores de medição que realimentam o regulador da unidade geradora.

4.3 Controle da Tensão do Terminal do Gerador (CV)

Ao se conectar uma unidade geradora hidrelétrica em uma rede isolada, ou seja, sem a

presença de outras unidades, para suprir a demanda de energia das cargas conectadas ao

sistema, o regulador de tensão tem por finalidade garantir a manutenção do valor da tensão

dentro de uma faixa aceitável. Em outras palavras, nesta condição operacional é realizado

um controle direto da tensão do terminal do gerador.

Para tal finalidade, o sinal disponibilizado pelo transformador de potencial deve ser

condicionado para valores compatíveis com os circuitos eletrônicos e de controle

integrados ao regulador de tensão, conforme apresentado no item 3.3.3 do presente

trabalho.

A relação existente entre o valor de tensão do secundário do TP e o sinal condicionado, que

irá realimentar a malha de controle, pode ser observada através da análise do gráfico a

seguir:

26 ______________________________________________________________________________________________________________

Realimentação de Tensão

0

1

2

3

4

5

6

0 20 40 60 80 100 120

Secundário do TP [V]

Tens

ão C

ondi

cion

ada

[V]

Figura 9 - Sinal de realimentação de tensão.

Uma vez selecionado este modo operacional, um valor de tensão de referência percentual

deve ser atribuído na configuração do regulador. Por se tratar de um sistema isolado,

durante os ensaios de validação do equipamento é importante que se analise o tempo de

resposta do sistema de controle, analisando a atuação da malha PID, bem como o circuito

eletrônico responsável pelo controle da condução do IGBT.

Além da aplicação em sistemas isolados, na filosofia de operação do regulador apresentado

neste trabalho, o controle da tensão do terminal do gerador, também, é feito antes da

colocação da unidade em paralelo com a rede, uma vez que as tensões do gerador e da rede

devem estar compatíveis no instante do fechamento do disjuntor de sincronismo. Este

procedimento de colocação em sincronismo está detalhado no item subseqüente do

trabalho.

Um outro aspecto importante a ser abordado é a utilização do controle de tensão nos

procedimentos de comissionamento de uma central hidrelétrica, os quais visam verificar a

atuação do regulador mediante variações no valor de referência de tensão. Para tal, o

gerador em vazio é colocado em sua velocidade nominal, e um valor de referência é

escolhido e o comportamento da tensão é analisado. Através desta análise é possível

[V]

27 ______________________________________________________________________________________________________________

verificar se houve a ocorrência de overshoot, e se necessário, deve-se realizar uma correção

nos parâmetros da malha de controle ou até mesmo do circuito eletrônico.

Finalizando esta seção, é importante ressaltar que estando o gerador conectado em paralelo

com uma rede elétrica, este modo operacional não pode em hipótese alguma ser

selecionado, tendo em vista que o valor da tensão presente no terminal do gerador é

resultado da ação das diversas unidades geradoras conectadas em paralelo.

4.4 Controle da Potência Reativa Trocada com a Rede (CAR)

Como comentado, ao se colocar a Unidade Geradora (UG) em paralelo com a rede de

suprimento de energia, o regulador necessariamente deve controlar a potência reativa

trocada entre a UG e a rede. O sinal de realimentação de potência reativa está apresentado

na Figura 10.

Figura 10 - Sinal de realimentação de potência reativa.

A potência reativa denominada Qcmax representa a condição em que o gerador está

fornecendo a máxima potência para rede, enquanto Qimax indica uma absorção máxima de

28 ______________________________________________________________________________________________________________

potência por parte da máquina. É importante comentara que os valores de Qcmax e Qimin

estão relacionados aos aspectos técnicos do gerador e devem ser fornecidos pelo fabricante.

Estes valores estão representados na carta de capabilidade da máquina.

A atribuição do valor desejado de potência reativa ocorre de acordo com as necessidades

operacionais da rede elétrica. Por exemplo, em situações de alta demanda de carga, o

sistema de regulação deve atuar na corrente de campo de modo a fornecer potência reativa

para o sistema, assim contribuindo para minimizar a queda de tensão da rede.

4.5 Atribuições do Controlador Lógico Programável

De um modo geral, as funções atribuídas ao controlador lógico programável na aplicação

em questão são as seguintes: leituras dos sinais de realimentação, implementação da função

de controle PID (Proporcional, Integral e Derivativa) e atuação através de uma saída

analógica de corrente contínua na faixa entre 0 e 20 [mA].

Para cada modo operacional existe uma entrada analógica independente com uma faixa de

operação permitida de 0 a 10 [Vcc]. Com o objetivo de tornar o sinal mais estável e

numericamente confiável, através do software de programação do CLP, é realizado o

cálculo do valor médio de cada sinal de entrada.

A respeito da configuração de Hardware, o CLP é composto pelas seguintes placas, ou

melhor, módulos: interface homem-máquina (IHM), fonte, CPU e expansão analógica de

quatro entradas e quatro saídas (4EA / 4SA), conforme ilustrado a seguir:

29 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 11 - Representação CLP / IHM.

Através da placa de expansão analógica, os sinais de realimentação são transmitidos para o

software através das entradas e o sinal de saída é aplicado ao microcontrolador programável

pela saída analógica.

Com relação aos sinais digitais, a própria placa da CPU possui oito entradas e oito saídas,

para as quais foram designadas as seguintes atribuições:

��saída 1 - acionamento do contator do campo da excitatriz;

��saída 2- alarmes;

��entrada 1 - identificação do status do disjuntor de sincronismo do sistema;

��entrada 2 - transferência do modo CAR para o modo CIE.

Tanto a filosofia de programação, bem como a função matemática PID empregada, serão

apresentadas ao longo da dissertação.

4.6 Atribuições do Microcontrolador Programável (MC)

Com o objetivo de obter um sinal com modulação PWM de alta precisão e baixo tempo de

resposta, a lógica da modulação foi implementada no microcontrolador programável. Além

destas vantagens, houve uma redução significativa na complexidade da programação do

CLP, resultando em um processamento mais eficaz da CPU.

30 ______________________________________________________________________________________________________________

Através de um circuito eletrônico, o sinal de corrente da saída do CLP é transformado para

um sinal de tensão de 0 a 5 [Vcc], o qual atua na entrada do microcontrolador. A lógica

desenvolvida modula o sinal de saída com uma freqüência de 120 [Hz], mas com um

período de condução variável, cuja intensidade depende diretamente do valor de tensão

disponibilizado na sua entrada. A figura a seguir ilustra os resultados dos ensaios realizados

para a análise do funcionamento do MC na modulação PWM do sinal. Os ensaios foram

realizados através da utilização de um osciloscópio digital de alta resolução.

Figura 12 - Forma de onda da tensão de saída do IGBT – valor intermediário.

Este sinal é um resultado da ação do microcontrolador no gatilhamento do terminal Base-

Emissor do IGBT. No entanto, como poderá ser observado no próximo item, o sinal PWM

de saída do MC atua por intermédio de um circuito eletrônico denominado Driver de

gatilhamento.

A próxima figura mostra uma outra condição de operação, onde o valor da tensão de saída

do IGBT é mínimo.

31 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 13 - Forma de onda da tensão de saída do IGBT – valor mínimo.

Uma vez aplicada a máxima tensão no campo da excitatriz, que geralmente possui uma

característica fortemente indutiva, a corrente assume a característica apresentada na figura

14.

Figura 14 - Forma de onda da corrente no circuito indutivo.

A resolução do MC empregado é de 8 bits, resultando em 256 possibilidades de diferentes

períodos de condução, onde cada um deles corresponde a um step no valor de tensão de

entrada na ordem de 19,5 [mV].

32 ______________________________________________________________________________________________________________

Assim, neste sistema, o microcontrolador tem por função atuar na base do IGBT, levando-o

a um período de condução condizente com o sinal proporcional da malha de controle

implementada.

4.7 Driver de Gatilhamento

O circuito do driver de gatilhamento está mostrado na Figura 15.

uC

+5V

0 - 20 [mA]

R2

C1R1

R4

R3

T1

R5

T2

R6

R7 C2

D

R8

15V

PWM

OPT

Figura 15 - Circuito de gatilhamento do IGBT.

O sinal de corrente de 0 a 20 [mA], proveniente do CLP, é transformado em um sinal de

tensão através do trimpot R1. Este sinal é convertido em uma modulação PWM pelo

microcontrolador que polariza a base do transistor T1 por meio do circuito R2 e C1. O

acoplador óptico OPT desacopla elétricamente as entradas e saídas do CLP e todos os

demais circuitos eletrônicos do circuito de potência responsável pela produção da corrente

de excitação. Por este motivo é importante que a fonte de +15 [Vcc, representada acima,

tenha um referencial de massa próprio e isolado das outras fontes. O transistor interno ao

acoplador óptico é excitado pela luz oriunda do led e através do transistor T2 e demais

componentes a ele associados, disponibiliza um sinal PWM que irá controlar o IGBT.

A saída do Driver de Gatilhamento atua no terminal Base-Emissor do IGBT, o qual está

representado por PWM na figura a seguir.

33 ______________________________________________________________________________________________________________

PWM

Figura 16 - Representação do IGBT.

A atuação do regulador de tensão no controle da corrente Ie se faz através de um circuito

chopper (modulação PWM), onde o período de condução dos pulsos de chaveamento,

controla a tensão aplicada ao campo da excitatriz.

O outro componente que deve ser apresentado é o diodo de free-wheeling. Este dispositivo

tem por finalidade permitir a circulação de uma corrente sustentada pela energia

eletromagnética armazenada na indutância do circuito de excitação. Ao se estabelecer um

caminho para a circulação da corrente, evita-se a ocorrência de uma eventual sobretensão

nos terminais do IGBT, o que pode levar a interrupção da sua funcionalidade.

LE

FW

Figura 17 - Aplicação do diodo de free-wheeling.

A tensão anodo-catodo do diodo de free-wheeling também foi registrada, apresentando o

comportamento ilustrado na Figura 18:

34 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 18 - Forma de onda da tensão anodo-catodo do diodo de free-wheeling.

A próxima seção apresenta a lógica de operação do regulador de tensão.

4.8 Lógica de Operação do Regulador A lógica de funcionamento do sistema de controle implementada no CLP prevê três malhas

de controle distintas, sendo uma para cada modo de operação do equipamento. Assim, o

operador pode otimizar os ganhos e constantes de tempo da função matemática PID, para

cada modo, independentemente.

Na configuração inicial, as características nominais de operação do gerador síncrono devem

ser inseridas. A partir destas características, através de uma lógica de programação, são

definidos os limitadores operacionais, cuja finalidade consiste em evitar condições de

operação inadequadas sob o ponto de vista térmico do equipamento. As características

nominais a serem inseridas são as seguintes:

��tensão nominal do gerador;

��corrente nominal do campo da excitatriz;

��máxima potência reativa indutiva;

��máxima potência reativa capacitiva.

35 ______________________________________________________________________________________________________________

Após a configuração inicial do equipamento, para se iniciar as ações de controle, os valores

de referência devem ser selecionados.

A lógica de operação do regulador de tensão está descrita no fluxograma apresentado a

seguir.

SINCRONISMO

CONTROLE DECORRENTE

(CIe)

CONTROLE DETENSÃO

(CV)

AJUSTE DATENSÃO

(CAR)

1 PU

PARAR

OPÇÕES OPÇÕES OPÇÕES

OPÇÕES

CONDIÇÃOINICIAL

ESCOLHADO MODO

CONTROLEAUTOMÁTICODE REATIVO

Figura 19 - Fluxograma de funcionamento do regulador de tensão.

Como pode ser observado através do fluxograma apresentado, uma vez definido o modo de

operação como sendo controle de corrente ou controle de tensão, o algoritmo de

36 ______________________________________________________________________________________________________________

programação possibilita duas ações: parar as ações de controle ou permanecer na malha. Ao

se definir a interrupção da circulação da corrente no campo da excitatriz (PARAR),

automaticamente o CLP aciona uma saída digital em 24 [Vcc], que será responsável pela

abertura do contator de alimentação do campo da excitatriz e pelo acionamento do circuito

de desexcitação. Por outro lado, ao se optar por permanecer na malha de controle, o valor

de corrente da saída do CLP deve permanecer constante.

Se o sistema estiver operando no modo CAR, inicialmente, ocorre uma ação da malha de

controle de tensão, estabelecendo nos terminais do gerador 100% da tensão nominal. Uma

vez atingido este nível de tensão, o sinal de saída do regulador permanece constante até o

término das ações do relé de sincronismo. Após o comando do relé para fechamento do

disjuntor existente entre a unidade geradora e a rede elétrica, o regulador é realimentado

por um sinal de tensão em 24 [Vcc], resultando no início das ações de controle da potência

reativa.

Uma outra ação operacional que deve ser prevista é a passagem do modo de controle de

potência reativa para o controle de corrente, mediante a ocorrência de alguma

irregularidade no sistema de realimentação de potência reativa.

De modo a permitir um maior entendimento a respeito do funcionamento do regulador de

tensão conectado ao sistema, a Figura 20 apresenta o esquema de ligações externas do

equipamento desenvolvido.

37 ______________________________________________________________________________________________________________

Relé deSincronismo

E

19 2007 08 090605

04

01

03

02

121110 2113 14 1815 16 17

GS

REGULADOR DE TENSÃO / BRUSHLESS

115 [V]

5 [A]

24 [Vdc]

Vceiling

E

K1

K2

SistemaAuxiliar

125 [Vdc]

SISTEMA

Rdexc FW

Figura 20 - Esquema de ligações do regulador de tensão.

Ao iniciar ou interromper o procedimento de excitação do gerador síncrono, a lógica de

comando do regulador prevê uma atuação simultânea nos contatos auxiliares dos contatores

representados por K1 e K2. Como pode ser observado através de uma análise da figura

anterior, os dois contatores são do tipo normalmente aberto (NA). Assim, ao se iniciar as

ações de regulação da tensão, o CLP, através da saída digital 24 [Vcc], aciona um relé, que

por sua vez transfere um comando para ambos os contatos auxiliares, alimentando o

circuito de potência e curto-circuitando a resistência de desexcitação (Rdesxc).

Ao se interromper a excitação do gerador, o curto-circuito em Rdexc deve ser desfeito, pois a

resistência de excitação deve entrar no circuito de modo a permitir a dissipação da energia

armazenada na indutância do campo da excitatriz. Vale ressaltar que a máxima

transferência de potência ocorre quando o valor da resistência do campo for igual ao valor

de Rdexc.

38 ______________________________________________________________________________________________________________

4.9 Controle PID

De um modo geral, o sistema de regulação de tensão de geradores síncronos é um processo

em malha fechada, cujo comportamento dinâmico é resultados das ações da função

matemática de controle PID.

Sendo assim, as ações do regulador no controle da tensão aplicada ao campo da excitatriz

são conduzidas pelos resultados dos cálculos realizados pela equação matemática de

controle empregada. As equações devem ser modeladas com a finalidade de minimizar ao

máximo a diferença existente entre o valor de referência atribuído e o valor real

“informado” pelo sistema de realimentação. Para tal finalidade, a equação PID apresentada

a seguir, foi implementada no sistema de controle:

(2.1)

Onde:

��K - ganho do sistema;

��Ki - ganho integral:

��Td - ganho derivativo;

��dt - tempo de amostragem

��de - variação no erro (erro atual – erro anterior)

��Ti - 1 / Ki;

��BIAS - offset da saída de controle.

Uma vez discretizado o sinal, a equação PID assume a seguinte característica:

(2.2)

39 ______________________________________________________________________________________________________________

Através da aplicação dos critérios de estabilidade e análises de resultados de ensaios

realizados no laboratório e no campo, os valores dos ganhos e do tempo de amostragem

foram definidos.

De uma maneira geral, a principal função da ação integral consiste em mitigar o erro

existente no processo, no entanto a sua ação isoladamente pode não contribuir para a

estabilidade relativa do sistema. Deste modo, a ação integral é em geral utilizada em

conjunto com a ação proporcional.

Ao se analisar as ações integral e proporcional conjuntamente, é possível notar que se

durante as ações da malha de controle o ganho integral for aumentado, a ação integral pode

começar a predominar sobre a ação proporcional, fazendo com que a resposta se aproxime

mais rapidamente da referência. No entanto, se o ganho integral for excessivamente

elevado, a resposta pode se tornar oscilatória.

Quanto ao ganho proporcional, o seu valor atribuído, também, influencia diretamente no

tempo de resposta do sistema, ou seja, contribui na determinação do tempo de mitigação do

erro. Por outro lado, a atribuição da elevados valores para o ganho proporcional pode

resultar na ocorrência de overshoot na resposta do sistema. No próximo capítulo, estão

apresentados os resultados dos ensaios realizados para otimização dos parâmetros da malha

de controle do regulador de tensão.

Com relação ao termo derivativo, pode-se caracterizá-lo da seguinte maneira: este termo

somente deve atuar se houver variação de erro, ou seja, se o processo está estável mesmo

com um erro presente, a sua atuação é nula. De um modo geral, o termo derivativo antecipa

a ação de controle, prevendo qual deverá ser o erro a um determinado tempo a frente (Td).

O tempo de amostragem da malha de controle deve estar diretamente relacionado ao tempo

de resposta do sistema. No caso dos sistemas de excitação brushless, este tempo possui um

valor elevado (aproximadamente um segundo) se comparado ao sistema de excitação

estática. Este fato contribui para a não utilização de máquinas de grande porte com sistema

de excitação brushless.

40 ______________________________________________________________________________________________________________

No caso apresentado neste trabalho de dissertação, o modelo da malha de controle PID

implementada está apresentado a seguir:

BANDA MORTA EXCITAÇÃODO

GERADOR

LIMITAÇÃO

SET POINT ERRO

PROPORCIONAL

DERIVATIVO

INTEGRAL

Figura 21 - Malha de controle.

Como o objetivo de verificar o comportamento da resposta da malha de controle, quando o

sistema é submetido a condições diversas de operação, foi implementado um programa de

supervisão para a o monitoramento dos sinais de controle. A sua implementação foi

viabilizada através dos recursos disponíveis no software do fabricante do CLP empregado.

A Figura 22 apresenta a interface gráfica do programa, onde é possível visualizar on-line as

seguintes variáveis do sistema: sinal de entrada, valor de referência e banda morta.

A banda morta retrata a faixa de tolerância para a variável de entrada com relação ao valor

de referência (VR). Como para cada sistema existe um grau de oscilação característico da

variável controlada, é importante que o valor da banda morta seja um parâmetro

configurável e preferencialmente em valores percentuais com relação ao VR.

41 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 22 - Tela do programa de supervisão implementado.

A curva em azul representa o sinal de realimentação da malha de controle. A linha em

vermelho representa o valor de referência configurado, o qual tem associado uma banda

morta representada pelas linhas de cor preta.

A utilização de um software de monitoramento das variáveis envolvidas no sistema de

controle permite o acompanhamento on-line dos ensaios, possibilitando a verificação do

comportamento do sistema e, se necessário, a otimização da modelagem da malha.

O programa de supervisão implementado teve uma importante contribuição nos ajustes dos

parâmetros das malhas de controle dos modos operacionais, conforme mostram os ensaios

apresentados no próximo capítulo.


Após as apresentações dos modos operacionais do regulador, das atribuições do CLP e MC,

do driver de gatilhamento, da lógica de operação e da função de controle, a análise da

figura a seguir possibilita ao leitor um entendimento a respeito do funcionamento integrado

dos dispositivos utilizados no desenvolvimento do regulador.

42 ______________________________________________________________________________________________________________

uC

CLP

DigitalI / O

PID

125 [Vdc]

EntradasDigitais

TP

TC

Corrente IE

SaídasDigitais

Alimentaçãodo Campo

Saída para oCircuito de

Campo

Fonte

Driver

TPR

Condicionadorde Sinal

HALL

Figura 23 - Diagrama funcional.

Ao se analisar a Figura 23, pode-se notar que os sistemas de realimentação dos três modos

de operação estão integrados ao equipamento, assim como os circuitos eletrônicos e de

controle. Nos sistemas de excitação brushless, o valor da corrente no campo da excitatriz,

geralmente, é baixo, possibilitando desta maneira a inserção da ponte retificadora e do

IGBT dentro do regulador.

Com isso, uma vez apresentados os aspectos construtivos e operacionais do regulador, o

próximo capítulo traz os resultados dos ensaios que contribuíram para a sua validação.

43 ______________________________________________________________________________________________________________

__________________

44 ______________________________________________________________________________________________________________

5. ENSAIOS O objetivo principal deste capítulo é apresentar os resultados dos ensaios realizados, os

quais tiveram por finalidade verificar o comportamento dinâmico do regulador frente a

diversas condições de operação. Os ensaios laboratoriais foram realizados nas dependências

do Laboratório do Instituto de Sistema Elétrico e Energia da Universidade Federal de

Itajubá. Já os ensaios de campo foram executados na Pequena Central Hidrelétrica Luiz

Dias, localizada no município de Itajubá, MG.

Os ensaios foram registrados pelo software de supervisão apresentado no capítulo anterior.

Através dos resultados dos ensaios, é possível verificar as ações da malha de controle

modelada, a qual foi apresentada na Figura 21.

5.1 Ensaios Laboratoriais

Para realização dos ensaios no laboratório foi montada uma bancada de ensaios, onde foram

realizados testes com o regulador operando no controle da corrente Ie, no controle da

tensão do terminal do gerador e no controle da potência reativa.

Para tal finalidade, foi utilizado um motor de corrente contínua acionando um gerador

síncrono. Além deste grupo motor-gerador, foram empregados equipamentos de medição,

proteção e comando, viabilizando a realização de todos os testes, inclusive a operação em

paralelo com a rede local. No caso, a rede local está conectada ao sistema de distribuição da

concessionária de energia CEMIG.

As características operacionais do motor de corrente contínua e do gerador síncrono são as

seguintes:

45 ______________________________________________________________________________________________________________

Motor de Corrente Contínua

Potência Mecânica 26,11 [kW]

Tensão Nominal 220 [V]

Corrente Nominal 173 [A]

Tensão Nominal de Excitação 175,40 [V]

Corrente Nominal de Excitação 3,05 [A]

Rotação Nominal 1800 [RPM]

Máquina Síncrona

Potência Nominal 35 [kVA]

Tensão Nominal (Fase-Neutro) 380 [V]

Corrente Nominal 53,20 [A]

Tensão Nominal de Excitação 50 [V]

Corrente Nominal de Excitação 6,70 [A]

Rotação Nominal 1800 [RPM]

5.1.1 Resultados dos Ensaios no Modo de Operação CIE

Neste item estão apresentados os resultados dos ensaios realizados com o regulador

operando no modo CIE. Os ensaios tiveram por finalidade analisar o comportamento da

ação do sistema de controle, quando foram realizadas alterações nos parâmetros da malha e

mudanças nos valores de referência. No primeiro caso apresentado a seguir, o valor de

referência para corrente de excitação do gerador foi definido em 5 [A].

46 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 24 - Comportamento do sinal de controle de corrente.

Por se tratar de um dos primeiros ensaios realizados no equipamento, a principal

preocupação foi averiguar a funcionalidade dos circuitos eletrônicos e de controle. Ao se

observar as Figuras 24 e 25, pode-se verificar que o erro do sistema foi mitigado e o sinal

permaneceu em um regime estável de operação, indicando um funcionamento adequado de

ambos os circuitos neste modo operacional.

Neste primeiro ensaio, o desempenho do sistema pode ser considerado satisfatório, tendo

em vista que ao se iniciar o controle, o circuito de disparo (modulação PWM), através das

ações PID, atuou no IGBT levando a corrente de 0 a 5 [A] em um determinado intervalo de

tempo sem que houvesse períodos de instabilidade.

Sinal Controle

Hora

47 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 25 - Comportamento estável da corrente.

Após a análise da resposta do sistema frente a este primeiro ensaio apresentado, a próxima

figura mostra a ação do sistema quando o valor de referência é alterado, estando o sistema

em operação, para 2,5 [A].

Sinal Controle

Hora

48 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 26 - Comportamento do sinal de corrente frente a um degrau negativo no valor de referência.

Através da análise do sinal apresentado na Figura 26 pode-se notar que o sistema de

controle atuou corretamente mediante a alteração on-line, ou seja, estando o sistema em

operação, efetuada no valor de referência.

Com o objetivo de se analisar o tempo de resposta do sistema, o ganho proporcional da

malha de controle foi alterado, resultando nos comportamentos expressos pela Figuras 27 e

28. No próximo caso apresentado, a ganho proporcional teve um acréscimo de 70% em

relação ao primeiro ensaio apresentado (Figura 24).

Sinal Controle

Hora

49 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 27 - Resposta mediante à elevação de 70% no valor do ganho proporcional.

É interessante notar que ao se elevar o ganho proporcional, o sistema de controle responde

mais rapidamente, fazendo com que a variável de entrada atinja a faixa de valores

admissíveis (banda morta) em um tempo 90% menor que o registrado no primeiro ensaio.

O próximo caso apresentado mostra o comportamento do sistema de controle frente a uma

elevação ainda maior no ganho proporcional com relação ao primeiro ensaio. Esta elevação

foi de 100 %.

Sinal Controle

Hora

50 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 28 - Resposta mediante a elevação de 90% no valor do ganho proporcional.

De acordo com o esperado, ao se analisar as figuras 27 e 28, pode-se notar que as alterações

no ganho proporcional resultaram em uma redução diretamente proporcional no tempo de

resposta do sistema. É importante observar que os ganhos integral e derivativo e a constante

de tempo foram ajustados no primeiro ensaio e mantidos constantes nos outros três ensaios

apresentados nesta seção.

5.1.2 Resultados dos Ensaios no Modo de Operação CV

Os ensaios realizados neste modo de operação foram divididos em duas etapas: controle da

tensão com o gerador em vazio e controle da tensão com o gerador em carga.

Analogamente aos ensaios realizados no modo CIE, o primeiro caso apresenta o

comportamento do sinal de realimentação de tensão, quando se atribui um determinado

valor de referência estando o sistema em vazio e, inicialmente, com um valor nulo na sua

saída. Neste caso, a referência de tensão foi de 1 pu, ou seja, 380 [V] nos terminais de saída

do gerador utilizado no ensaio.

Sinal Controle

Hora

51 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 29 – Comportamento do sinal de tensão.

Sob o ponto de vista da estabilidade dinâmica o comportamento da tensão apresentou-se

satisfatório, tendo em vista a não ocorrência de overshoot no sinal de entrada e a mitigação

do erro.

No entanto, para se adquirir confiança no sistema de controle implementado no modo de

operação CV, é necessário que se verifique a sua atuação mediante a presença de uma carga

conectada nos terminais do gerador em teste. Sendo assim, a próxima figura ilustra resposta

do sistema, quando é realizada partida direta de um motor de indução trifásico (MIT),

conectado nos terminais do gerador. A potência do MIT é de 20 [cv], o que corresponde,

principalmente durante o processo de partida, uma condição extremamente severa para o

regulador de tensão.

Sinal Controle

Hora

52 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 30 - Comportamento da tensão na partida direta do MIT.

Apesar da severidade do teste, o sistema de controle apresentou-se eficaz, restabelecendo a

tensão de 1 pu nos terminais do gerador em um curto intervalo de tempo. Após o

restabelecimento do valor da tensão em 1 pu, também, pode-se verificar a manutenção da

estabilidade do sinal.

Uma vez testado o comportamento do regulador frente a uma entrada abrupta de carga,

outros ensaios em vazio foram realizados, conforme apresentados nas Figuras 31 e 32.

O próximo resultado de ensaio apresentado retrata o comportamento do sistema ao se

elevar o ganho proporcional em 70% em relação ao caso apresentado na Figura 29.

Sinal Controle

Hora

53 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 31 - Comportamento do sinal de tensão mediante alteração do ganho.

É possível notar que a atuação do sistema de controle foi mais rápida, fato que pode ser

constatado pela redução significativa no tempo de resposta se comparado ao caso

apresentado na Figura 29.

O último teste apresentado no modo CV mostra o comportamento do sistema, quando o

valor de referência é alterado on-line de 1 pu para 0,3 pu.

Sinal Controle

Hora

54 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 32 - Comportamento do sinal de tensão frente a um degrau negativo no valor de referência.

A próxima seção traz os resultados dos ensaios realizados no regulador operando no modo

CAR, ou seja, conectado em paralelo com o sistema.

5.1.3 Resultados dos Ensaios no Modo de Operação CAR

Esta seção apresenta os resultados dos ensaios realizados com o regulador operando no

modo CAR. Para tal, o gerador foi conectado em paralelo com rede de distribuição local

(CEMIG) que alimenta o laboratório do campus da Universidade.

O procedimento adotado para a colocação do gerador em paralelo, ou melhor, em

sincronismo com a rede foi o seguinte:

��colocou-se o grupo motor-gerador na velocidade nominal (1800 [rpm]);

��foi iniciada a excitação do campo do gerador através do modo CV, estabelecendo 1

pu de tensão;

Sinal Controle

Hora

55 ______________________________________________________________________________________________________________

��com o auxílio de um sincronoscópio, foi determinado o instante exato do

fechamento do contator de sincronismo, o qual estabelece o contato entre os

terminais do gerador e as fases do sistema elétrico;

��o contato auxiliar do contator acionou a entrada digital do regulador de tensão,

dando início ao controle da potência reativa.

Como a tensão nominal de operação do gerador é 380 [V], foi utilizado um transformador

380/220 [V] para compatibilizar as tensões da rede e da máquina.

A figura a seguir mostra a resposta do sistema de controle quando o valor de referência de

potência reativa indutiva é alterado de 5 [kvar] para 9 [kvar]. Esta característica indutiva

indica uma absorção de potência reativa da rede por parte do gerador.

Figura 33 - Comportamento da potência reativa indutiva mediante um degrau positivo da referência.

Ao se analisar o comportamento do sinal de entrada apresentado na Figura 33, nota-se uma

oscilação contínua no valor potência reativa controlada. No entanto, o valor da potência

permanece sempre dentro da faixa aceitável. Esta oscilação, na grande maioria dos casos, é

Sinal Controle

Hora

56 ______________________________________________________________________________________________________________

resultado das variações da tensão da rede elétrica, as quais são ocasionadas, quase sempre,

pela aleatoriedade das cargas. Neste caso, o valor da banda morta está entre +/- 5% do valor

de referência atribuído.

A próxima figura ilustra o comportamento do sistema diante de uma outra alteração no

valor de referência, em que a potência reativa indutiva foi alterada de 15 [kvar] para 4

[kvar].

Figura 34 - Comportamento da potência reativa indutiva mediante um degrau negativo da referência.

Muito provavelmente, devido a um valor de ganho proporcional elevado, é possível notar

na Figura 34 a ocorrência de um período de instabilidade na resposta do sistema de

controle. Neste período, a variável de entrada oscilou em torno do valor de referência,

atingindo a estabilidade após um determinado tempo.

Uma vez observado um comportamento com este, é fundamental que seja feita uma analise

a respeito dos valores atribuídos aos parâmetros de controle da malha implementada. Deste

modo, fica evidente a importância da utilização de um software supervisório na realização

Sinal Controle

Hora

57 ______________________________________________________________________________________________________________

dos ensaios, pois através da análise on-line do comportamento do sistema de controle pode-

se otimizar a atribuição destes valores.

Eventualmente podem ocorrer quedas abruptas na tensão da rede de um sistema interligado,

sendo causadas, por exemplo, pela ocorrência de um curto-circuito na rede ou pela perda de

uma ou mais unidades geradoras. Nestas situações, as unidades que permanecem no

sistema, em grande parte dos casos, devem interromper uma eventual absorção de potência

reativa e iniciar um fornecimento imediato desta potência para o sistema. Diante do

exposto, o regulador desenvolvido permite uma troca direta no sentido do fluxo de potência

reativa, acessando apenas o respectivo comando. A Figura 35 mostra o comportamento do

sistema frente a uma passagem direta de 4 [kvar] de potência reativa indutiva para o mesmo

valor de potência reativa capacitiva.

Figura 35 - Passagem de potência reativa indutiva para capacitiva.

Nesta situação, a corrente de excitação tem seu valor elevado gradativamente pela ação do

regulador, levando a potência reativa a um valor nulo e na seqüência ao valor de potência

Sinal Controle

Hora

58 ______________________________________________________________________________________________________________

reativa capacitiva definido. Este comportamento retrata fielmente o princípio operacional

do gerador síncrono definido na sua curva V.

Devido as freqüentes oscilações existentes no valor da potência reativa, quando o gerador

está conectado em paralelo com a rede, o regulador desenvolvido permite o ajuste on-line

do valor da banda morta. Para exemplificar a correlação existente entre a banda morta e a

estabilidade do sistema de controle, a Figura 30 mostra a resposta do sistema mediante uma

alteração na banda de +/- 5% para +/- 2%.

Figura 36 - Comportamento da potência reativa indutiva mediante uma alteração na faixa de tolerância.

Como pode ser observado, houve uma perda de estabilidade durante um curto intervalo de

tempo. Sendo assim, fica evidente que a atribuição do valor da banda morta está

relacionada à característica do sistema onde o gerador será conectado. Em sistemas com

baixa potência de curto-circuito ocorre uma maior oscilação da potência reativa transferida

do que em sistemas mais fortes.

Sinal Controle

Hora

59 ______________________________________________________________________________________________________________

5.2 Ensaios de Campo

Com a finalidade de validar o funcionamento do protótipo do regulador de tensão

desenvolvido, foram realizados testes na Pequena Central Hidrelétrica Luiz Dias, localizada

no município de Itajubá, MG. A usina possui três unidades geradoras de 900 [kVA] cada

uma, sendo que todas operam em paralelo com a rede de distribuição de 13,8 [kV]

pertencente à concessionária CEMIG.

As principais características operacionais do gerador síncrono utilizado nos ensaios são as

seguintes:

��potência nominal = 900 [kVA];

��tensão nominal = 4,4 [kV];

��corrente nominal = 354 [A];

��tensão nominal de excitação = 110 [V];

��corrente nominal de excitação = 6 [A].

É importante observar que por se tratar de uma conexão em paralelo com a rede local,

foram realizados somente ensaios no modo de controle CAR.

Apesar dos ensaios na usina não permitirem o mesmo grau de liberdade dos ensaios

realizados no laboratório, durante o desenvolvimento de um protótipo, os testes de campo

têm um peso significativo no processo de validação.

A seguir, encontra-se uma figura ilustrativa do grupo gerador utilizado nos ensaios.

60 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 37 - Unidade Geradora – PCH Luiz Dias.

No primeiro ensaio apresentado a seguir, foi testada a estabilidade da potência reativa

indutiva, quando o valor de referência foi alterado de 220 [kvar] para 100 [kvar]. Como

poderá ser observada, a atuação do sistema de regulação apresentou-se eficaz, tendo em

vista que o a potência atingiu o valor de referência sem a ocorrência de transitório ou

períodos de instabilidade.

Figura 38 - Comportamento da potência reativa mediante um degrau negativo da referência.

Sinal Controle

Hora

61 ______________________________________________________________________________________________________________

Inicialmente, os testes estavam sendo realizados com uma banda morta na ordem de +/-

2%. No entanto, através da análise da próxima figura, é possível notar que durante a

realização dos testes, a rede estava com um nível de oscilação incompatível com a banda

morta definida, dificultando a manutenção do sinal dentro da faixa estabelecida. Assim,

para estabilizar a malha de controle, a banda morta teve seu valor alterado de +/- 2% para

+/- 5%, resultando na resposta mostrada na Figura 39.

Figura 39 - Alteração da faixa de tolerância.

O ensaio apresentado na Figura 40 traz o comportamento da resposta do sistema quando é

solicitada uma inversão no fluxo da potência reativa, passando de 100 [kvar] indutivo para

100 [kvar] capacitivo.

Sinal Controle

Hora

62 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 40 - Passagem de potência reativa indutiva para capacitiva.

Após a inversão do fluxo de potência reativa ter sido invertido, a próxima figura mostra que

o sistema entrou em regime permanente e manteve o valor real dentro da banda morta

estabelecida, ou seja, 10 [kvar] capacitivo.

Sinal Controle

Hora

63 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 41 – Análise da estabilidade da potência reativa.

Após a apresentação dos ensaios realizados tanto em laboratório, quanto em campo, a

próxima seção deste capítulo descreve os principais ensaios que devem ser realizados em

um sistema de regulação de tensão brushless. Estes ensaios, os quais são realizados durante

o período de comissionamento da central hidrelétrica, tem por finalidade analisarem o

comportamento do sistema e validar a conexão à rede.

5.2.1 Comissionamento do Sistema de Regulação de Tensão

Com o objetivo de assegurar a operação correta e confiável de uma central hidrelétrica,

após o término das instalações do grupo gerador (turbina e gerador elétrico), bem como dos

serviços auxiliares, as centrais são submetidas a uma seqüência de verificações e testes a

respeito do funcionamento das partes mecânicas e elétricas. Este procedimento, usualmente

adotado, é denominado comissionamento de central hidrelétrica.

Sinal Controle

Hora

64 ______________________________________________________________________________________________________________

Diante do escopo deste trabalho de dissertação, o qual concentra-se no desenvolvimento de

um regulador de tensão, este item apresenta os testes realizados no sistema de excitação e

os resultados esperados do regulador, quanto à manutenção da estabilidade e tempo de

resposta frente à ocorrência de situações adversas de operação.

Quanto aos testes executados no sistema de excitação, inicialmente, são realizados alguns

ensaios com o gerador em vazio. Nesta condição de operação, aplica-se um degrau de

tensão no campo da excitatriz, fazendo com que a tensão no terminal do estator do gerador

principal atinja seu valor nominal.

Assim, através da oscilografia da corrente de campo da excitatriz, fica viável a

determinação da constante de tempo da excitatriz, que é um parâmetro fundamental para o

funcionamento adequado da malha de controle.

Como pode ser observado, neste primeiro teste citado, há um controle direto da corrente de

campo, cuja realimentação é a própria corrente de campo. È interessante comentar que o

valor de set point a ser ajustado nesta condição de teste corresponde ao valor de corrente

associado à tensão nominal em vazio, cuja magnitude é apresentada como um dado de

placa do gerador correspondente.

Ainda com o gerador em vazio, variações na intensidade da tensão aplicada ao campo da

excitatriz são provocadas, com a finalidade de oscilografar e posteriormente analisar o

comportamento da corrente. Estas variações são provenientes de alterações nos valores de

set point estabelecidos na malha de controle de corrente.

Ao final das execuções destes dois ensaios em vazio, previamente descritos, é realizada a

análise do comportamento da malha de controle da tensão. Neste ensaio, a realimentação do

sistema de controle é feita pela tensão lida nos terminais do gerador. Sob esta condição de

teste, o sistema de excitação, mediante a ação de controle do regulador de tensão, procura

estabelecer a tensão terminal nominal do gerador. Para atingir esta condição, a alimentação

65 ______________________________________________________________________________________________________________

do campo da excitatriz pode ser dividida em dois estágios: corrente de pré-excitação e de

excitação nominal em vazio.

Durante a realização do ensaio da malha de controle da tensão, deve-se oscilografar o

comportamento da tensão do gerador, dando ênfase à análise da sua estabilidade dinâmica,

verificando a intensidade do overshoot e a duração do período de instabilidade. A partir dos

resultados provenientes destas análises é possível verificar se o sistema está

correspondendo aos requisitos mínimos exigidos para a operação adequada de um sistema

de excitação.

Tratando-se de uma função de controle PID, vale notificar que os valores atribuídos aos

ganhos e as constantes de tempo inerentes a esta função são extremamente importantes no

comportamento dinâmico do sistema controlado. Sendo assim, a realização de ensaios

voltados à função de controle PID, conforme apresentado na seção III.1, são essenciais para

uma pré-definição dos valores da maneira mais otimizada possível.

No entanto, ciente que os ganhos e as constantes de tempo dependem diretamente do

sistema físico envolvido no controle, o período de comissionamento possibilita o ajuste dos

parâmetros do PID, caso o comportamento dinâmico não apresente resultados satisfatórios,

ou seja, dentro dos requisitos mínimos exigidos pelo o órgão operador responsável. Por

outro lado, havendo um conhecimento prévio das características do sistema físico, pode-se

implementar uma pré-rotina de programação, cuja finalidade consiste em atribuir valores

otimizados aos parâmetros de controle, em função dos dados do sistema físico. Com isso,

certamente, o processo de comissionamento do sistema de excitação pode ser otimizado,

reduzindo o trabalho e o tempo desprendido pelos responsáveis pelo processo.

Ao término dos testes em vazio, a próxima etapa do processo de comissionamento consiste

em inspecionar o comportamento do regulador na realização do sincronismo. Como

comentado, o relé de sincronismo, dentre outras funções, é o encarregado pelo o ajuste da

corrente de excitação, de modo a estabelecer a igualdade entre as tensões da rede e do

gerador. Este ajuste é feito através de pulsos elétricos transferidos para uma entrada digital

66 ______________________________________________________________________________________________________________

do controlador lógico programável. Assim, como no caso do teste de controle da tensão, os

sinais de corrente de campo e tensão do gerador devem ser oscilografados e analisados.

Uma vez detectado um comportamento adequado do sistema de excitação, o fechamento do

disjuntor de sincronismo pode ser acionado, iniciando desta maneira o controle automático

de reativo.

Com a unidade geradora em paralelo com a rede elétrica, é necessário que sejam realizados

ensaios de rejeição de carga, os quais tem por objetivo avaliar a atuação imediata dos

reguladores de tensão e velocidade. A atuação do regulador de velocidade perante situações

de rejeição de carga requer uma atenção especial, haja vista a elevada inércia envolvida no

processo de fechamento dos distribuidores da turbina, que resulta na redução da velocidade

do rotor. Quanto à atuação do regulador de tensão, é esperado que o algoritmo de controle

comande a abertura do disjuntor de campo e coloque em paralelo o circuito de

desexcitação, conforme já apresentado no trabalho.


Após a descrição de todo o desenvolvimento do protótipo do regulador, bem como a

apresentação dos seus princípios operacionais, torna-se necessária a realização de ensaios

para a verificação da sua funcionalidade. Diante desta necessidade, os resultados dos

diversos ensaios realizados foram apresentados ao longo deste capítulo.

Os resultados dos ensaios mostraram um funcionamento eficaz do equipamento diante as

diversas situações operacionais. Para esta verificação ser completa, a resposta do sistema

foi apresentada durante o funcionamento do equipamento em todos os seus modos

operacionais.

O próximo capítulo irá apresenta uma metodologia para monitoramento dos diodos da

ponte retificador rotativa.

67 ______________________________________________________________________________________________________________

__________________

68 ______________________________________________________________________________________________________________

6. MONITORAMENTO DOS DIODOS ROTATIVOS

Este capítulo tem por finalidade apresentar uma metodologia para identificação de defeitos

nos diodos da ponte retificadora (seis diodos) rotativa do sistema de excitação brushless. A

principal motivação para o desenvolvimento desta metodologia está relacionada ao relato,

por parte dos fabricantes de geradores síncronos, da comum ocorrência de defeitos nestes

dispositivos, que pode resultar em diversas adversidades operacionais no gerador, por

exemplo, redução na eficiência do sistema de excitação. Esta redução na eficiência resulta

em uma limitação da capacidade de fornecimento de potência reativa.

Devido ao fato da ponte retificadora do sistema de excitação brushless estar no eixo do

gerador principal, existe grande dificuldade para se identificar um possível defeito nos

diodos. Dentro deste contexto, a metodologia está fundamentada em um método indireto de

identificação do defeito, utilizando os sinais de entrada e saída do regulador automático de

tensão do sistema.

6.1 Metodologia Aplicada

A metodologia é baseada no fato que a ocorrência de um defeito em qualquer um dos

diodos da ponte rotativa resulta na alteração do comportamento da tensão contínua aplicada

ao campo do gerador principal, resultando conseqüentemente em alterações na corrente do

campo da máquina.

Ciente que na grande maioria dos casos os defeitos nos diodos da ponte rotativa são

caracterizados por uma interrupção na circulação de corrente (diodos abertos), a análise da

metodologia aplicada retrata esta condição de defeito.

Através dos resultados das simulações apresentadas no próximo item, será possível

comprovar que uma vez mantida constante a tensão AC aplicada à ponte, a queima de um

69 ______________________________________________________________________________________________________________

ou mais diodos ocasiona uma redução significativa no valor médio da corrente contínua eu

circula no campo do gerador.

No entanto, com a finalidade de manter o valor da corrente no campo do gerador de acordo

com as condições de operação estabelecidas, na ocorrência de um defeito, o regulador eleva

automaticamente a tensão aplicada no campo da excitatriz. Deste modo, mediante a ação do

regulador, o sistema de excitação busca restabelecer a condição operacional que o gerador

se encontrava antes da ocorrência do defeito. Com isso, pode-se notar uma queda na

eficiência do sistema de excitação, haja vista uma maior necessidade de corrente no campo

da excitatriz para se manter um mesmo valor de tensão no terminal do gerador. Esta análise

é válida tanto para o sistema operando em isoladamente (CV) ou em paralelo com a rede

(CAR).

Para se aplicar a metodologia, deve-se efetuar o monitoramento contínuo da relação entre a

grandeza controlada (potência reativa ou tensão do gerador) e a corrente do campo da

excitatriz (Ie). Assim, as seguintes relações devem ser estabelecidas.

Relação entre a tensão do gerador e a corrente do campo da excitatriz:

VIE

VK

I=

(6.1)

Relação entre a potência reativa e a corrente do campo da excitatriz:

QIE

QK

I=

(6.2)

Onde:

��V - tensão do gerador;

��Q - potencia reativa;

��IE - corrente no campo da excitatriz.

70 ______________________________________________________________________________________________________________

Sob uma condição normal de operação, ou seja, com todos os diodos funcionando

corretamente, os valores das relações KQI e KVI são definidos pelas características técnicas

e construtivas do gerador, as quais estão expressas na sua curva de capabilidade. No

entanto, na ocorrência de um eventual defeito nos diodos da ponte, os valores destas

relações passam a divergir dos valores esperados, que estão expressos na curva.

Deste modo, a metodologia prevê uma comparação contínua entre as relações reais KVI e

KQI e as relações definidas pela curva de capabilidade da máquina, definidas neste trablho

como sendo KVIo e KQIo. O resultado da comparação reflete o grau de divergência entre

ambas as relações. Assim, se esta divergência ultrapassar um determinado estabelecido, o

regulador deve interpretar como uma possível falha em um ou mais diodos da ponte. Os

valores limites a serem definidos estão apresentados na seção 6.3.

Este procedimento de comparação pode ser facilmente aplicado através da implementação

de uma rotina de programação no software do CLP. É importante ressaltar que as variáveis

empregadas nos cálculos das relações são disponibilizadas pelo regulador.

Na próxima seção estão apresentados os resultados das simulações, os quais têm por

objetivo validar a metodologia apresentada.

6.2 Resultados das Simulações

Através da utilização dos recursos do software MATLAB/Simulink, foram realizadas

simulações computacionais para a verificação da validade do método proposto.

Diante do fato que na grande maioria dos casos o defeito apresentado no diodo resulta na

abertura do circuito, ou seja, provoca uma interrupção da circulação de corrente pelo

dispositivo, os resultados das simulações consideram diodo com defeito como circuito

aberto.

71 ______________________________________________________________________________________________________________

Com o objetivo de obter resultados próximos do sistema físico real, o sistema foi modelado

a partir de dados elétricos do campo de um gerador síncrono de uma Pequena Central

Hidrelétrica (PCH), cuja potência é de aproximadamente 15 [MVA] e a tensão de 6,9 [kV].

Dados do campo do Gerador:

��tensão AC – 94 [V] (tensão na entrada da ponte retificadora);

��resistência do Campo do Gerador: 0,20 [ohm];

��indutância do Campo do Gerador: 0,70 [H].

A partir destes dados, o seguinte sistema foi modelado através da utilização do aplicativo

Simulink do MATLAB:

Figura 42 - Sistema modelado.

Onde:

��VAC - tensão alternada aplicada na entrada da ponte retificadora;

��IFCG - corrente do campo do gerador.

As simulações contemplaram as seguintes situações de defeitos (queima de diodos) na

ponte rotativa:

��defeitos individuais dos diodos;

72 ______________________________________________________________________________________________________________

��defeito em pares de diodo de uma mesma fase;

��defeito pares de diodos de fases distintas.

È importante ressaltar estas são as situações mais corriqueiras de queima de diodos em

pontes trifásicas rotativas, sendo que outras situações também podem ser simuladas e

analisadas analogamente.

Para se viabilizar uma análise comparativa, a tensão alternada na entrada da ponte (94 VAC)

foi mantida constante, evidenciando única e exclusivamente as alterações ocorridas no lado

DC da excitatriz.

Simulação 1 – Formas de Onda da Corrente e Tensão no Campo do Gerador - Ponte em Perfeito Estado Operacional

Figura 43 - Formas de onda da tensão e corrente – Simulação 1.

Os correspondentes valores médios da tensão e corrente no campo do gerador, referentes à

primeira simulação são os seguintes:

73 ______________________________________________________________________________________________________________

Tabela 6.1 – Valores médios referentes à simulação 1.

Valores Médios

Corrente no Campo do Gerador - IFCG Tensão DC aplicada ao campo do Gerador

631,2 126,4

Simulação 2 – Formas de Onda da Corrente e Tensão no Campo do Gerador – Ponte operando com um Diodo Queimado

Neste caso, a queima do seguinte diodo foi simulada:

Figura 44 – Representação da condição de defeito da simulação 2

Assim, têm-se as seguintes formas de onda da corrente e tensão:

Figura 45 – Formas de onda da tensão e corrente – Simulação 2.


segunda simulação são os seguintes:

74 ______________________________________________________________________________________________________________


Simulação 3 – Corrente e Tensão no Campo do Gerador – Ponte Operando com Diodos Danificados de uma Mesma Fase Neste caso, a queima dos seguintes diodos foi simulada:

Figura 46 – Representação da condição de defeito da simulação 3.



terceira simulação são os seguintes:

Valores Médios

Corrente no Campo do Gerador - IFCG Tensão DC aplicada ao campo do Gerador

524,4 112,3

75 ______________________________________________________________________________________________________________


Valor Médio

Corrente [Acc] Tensão [Vcc]

417,2 95,12

Simulação 4 – Corrente e Tensão no Campo do Gerador – Ponte Operando com Dois Diodos Queimados em Fases Distintas

Neste caso, a queima dos seguintes diodos foi simulada:

Figura 48 – Representação da condição de defeito da simulação 4.


76 ______________________________________________________________________________________________________________

Os correspondentes valores médios da tensão e corrente no campo do gerador, referentes à quarta

simulação são os seguintes:


Valor Médio

Corrente [Acc] Tensão [Vcc]

417,9 101,2

6.3 Análise dos Resultados

A tabela apresentada a seguir mostra as variações ocorridas nos valores médios da corrente do

campo do gerador frente às queimas de diodos simuladas.

Tabela 6.2 – Resultados das simulações.

Simulação Corrente [Acc] Tensão [Vac]

1 631

2 524

3 417

4 417

94

Através de uma análise dos resultados apresentados na tabela, pode-se tirar as seguintes

conclusões:

��a queima de um diodo provoca uma redução na corrente do campo do gerador de

aproximadamente 17%;

��a queima de pares de diodos, sejam eles de uma mesma fase ou não, resulta em uma

redução de 34% no valor da corrente do campo do gerador;

77 ______________________________________________________________________________________________________________

Como comentado, a redução na corrente do campo do gerador resulta na necessidade de uma

elevação na tensão aplicada na entrada da ponte retificadora. Assim, para que isto ocorra, o

regulador automaticamente eleva no valor da tensão aplicada ao campo da excitatriz.

A divergência máxima admissível entre as relações reais e as definidas pela curva de capacidade

da máquina pode ser definida a partir dos resultados apresentados na Tabela 6.5. Por exemplo, se

o valor da relação real (KVI ou KQV) for inferior a 85% do valor da relação esperada (KVIo e KQIo),

há um forte indício da ocorrência de defeito em um diodo. Caso a relação real seja por volta de

70 % inferior, deve-se ter um par de diodos abertos.

Com a finalidade de esclarecer a metodologia proposta, a análise do gráfico apresentado a seguir,

permite observar que estando a ponte operando com todos os seus diodos em perfeitas condições

operacionais, para se manter um determinado fluxo de potência é necessária a circulação de uma

corrente I1 no campo da excitatriz. No entanto, se um diodo ou um par de diodos estiver

danificado, as correntes I2 ou I3 deverão circular no campo da excitatriz, respectivamente.

Figura 50 – Variação da corrente em função dos defeitos dos diodos.

Diante do exposto, o gráfico a seguir apresenta o comportamento dos parâmetros a serem

monitorados através do software implementado no CLP.

78 ______________________________________________________________________________________________________________

Figura 51 – Representação do coeficiente de monitoramento dos diodos.

Onde:

��A1 – parâmetro relacionado às relações KVI ou KQV; (definido pela curva de capabilidade

da máquina)

��A2 – parâmetro relacionado às relações KVIo e KQio. (relações reais)

O parâmetro representado por A1 indica um funcionamento normal da ponte, ou seja, sem defeito

algum nos diodos. Na ocorrência de um defeito, a potência reativa reduziria de Q1 para Q2, no

entanto o regulador elevaria a corrente de excitação para um nível Iexc2, mantendo desta maneira

a potência Q1. Assim, ao se comparar os coeficientes A2 e A1, conforme apresentado, o

regulador pode indicar a ocorrência do defeito, sugerindo a inspeção e uma possível troca do

dispositivo.


A metodologia apresentada neste capitulo mostrou os efeitos da queima de um ou mais diodos da

ponte retificadora rotativa na tensão e corrente do campo do gerador. Com isso, foi sugerida a

aplicação de uma metodologia para monitorar o funcionamento da ponte.

79 ______________________________________________________________________________________________________________

Sendo assim, como se trata do desenvolvimento de um protótipo, a implementação desta

metodologia é extremamente viável e sua aplicação importante, tendo em vista a possibilidade de

se evitar eventuais problemas decorrentes de um defeito nos diodos da ponte rotativa do sistema

de excitação brushless.

80 ______________________________________________________________________________________________________________

__________________

81 ______________________________________________________________________________________________________________

7. CONCLUSÃO

O principal objetivo deste trabalho consistiu em apresentar detalhadamente o desenvolvimento de

um regulador de tensão para geradores síncronos com sistema de excitação brushless.

O desenvolvimento do equipamento foi resultado de uma parceria entre a Universidade e uma

empresa do setor privado. O resultado desta parceria pode ser considerado positivo, tendo em

vista que o desenvolvimento apresentado nesta dissertação resultou na construção de um

protótipo, o qual foi testado no laboratório da Universidade Federal de Itajubá e na Pequena

Central Hidrelétrica Luiz Dias.

Toda a tecnologia empregada no regulador foi apresentada gradativamente, mostrando as funções

atribuídas a cada dispositivo empregado no sistema. Além da descrição dos dispositivos, os

circuitos eletrônicos responsáveis pelo condicionamento dos sinais de realimentação foram

apresentados, indicando os níveis dos sinais aplicados aos terminais de entrada do Controlador

Lógico Programável (CLP) apresentado. Os resultados da ação da função de controle PID, a qual

foi implementada no software do CLP, foram analisados através dos resultados dos ensaios,

permitindo uma verificação do comportamento dinâmico das variáveis de controle envolvidas no

sistema de regulação de tensão brushless.

A atuação da função de controle se faz através de uma ação conjunta do CLP com um

microcontrolador programável (MC). Deste modo, os algoritmos de programação implementados

no MC e no CLP foram apresentados, procurando sempre relaciona-los com as características

operacionais do sistema de geração, as quais dependem da arquitetura da rede onde o gerador

será conectado, ou seja, se a geração será para um sistema interligado ou para um sistema isolado.

Uma vez apresentado todo o desenvolvimento, resultados de ensaios foram apresentados,

mostrando claramente o controle tensão no campo da excitatriz sendo realizado através de uma

modulação PWM, bem como a atuação do regulador em situações de operação reais.

82 ______________________________________________________________________________________________________________

Um outro assunto interessante abordado neste trabalho, é a apresentação de uma metodologia de

monitoramento dos diodos da ponte retificadora rotativa existente no sistema de excitação

brushless. Resultados de simulações mostram a eficácia da metodologia proposta, restando

apenas implementa-la em um sistema físico rela para valida-la.

Sendo assim, pode-se afirmar que este trabalho abordou diversos aspectos ligados ao campo da

engenharia elétrica, uma vez que foram analisados os sistemas de medição de uma Pequena

Central Hidrelétrica, os circuitos eletrônicos empregados no regulador, a tecnologia de controle

aplicada e a eletrônica de potência envolvida no controle da tensão de excitação. Deste modo,

este trabalho contribui significativamente para um entendimento geral a respeito de sistemas de

excitação brushless, além de comprovar o quão produtiva pode ser a parceria entre a

Universidade e a empresa privada.

83 ______________________________________________________________________________________________________________

__________________

84 ______________________________________________________________________________________________________________

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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1997.

CRENSHAW, M.L.; BOLLINGER, K. E.; BYERLY, R.T.. Excitation System Models For Power

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1981.

SHANDE, Shen; SHOUZHEN, Zhu. Identification of Parameters of Synchronous Machine,

IEEE International Conference on Advances in Power System Control, Operation and

Management, November 1991, Hong Kong.

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Power System Engineering Series, McGraw-Hill Inc., 1994.

KARAYAKA, H. BORA; KYHANI, ALI; HEYDT, GERALD THOMAS; SELIN, DOUGLAS A..

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Excitation System. IEEE International Conference on Advances in Power System Control,

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